CN1301521C - 将负载网络受控切换到三相电源的三相系统 - Google Patents

将负载网络受控切换到三相电源的三相系统 Download PDF

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Abstract

一种三相系统，包括：三相电源和通过其可以将所述三相电源的相端子连接到负载网络的三极开关。提供了一个用于确定时间基准点的基准时间检测器以及用于控制所述开关的各个极的驱动控制电路。所述三极开关的各个极相对于基准时间以不同的间隔在受控的时间被切换。第一和第二极之间的电压零点交叉后，第一极的触点接触时间在185°加上最大预期预燃时间之后并以n乘以180°递增。在第一极的触点接触时间后，第二极和第三极的触点接触时间分别为n1乘以以120°递增的频率周期并以n乘以180°递增，和n2乘以以240°递增的频率周期并以n乘以180°递增，其中n等于零或为一个整数。

Description

将负载网络受控切换到三相电源的三相系统
技术领域
本发明涉及三相系统，所述三相系统包括三相电源、通过其可以将所述三相电源的相端子连接到负载网络的三极开关、用于确定时间基准点(reference point)的基准时间检测器以及用于驱动所述开关的各个极以使所述三极开关的所述各个极相对于基准时间以不同的间隔在受控的时间被切换的驱动控制电路。
背景技术
德国专利申请DE-A-4 105 698公开了一种此类装置。该已知的三相系统包括通过三极开关的方式被切换到三相电源上的负载网络，各个极在不同的时间被切换。这对于所有类型的负载和电流延长了所述开关的电气和机械寿命。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种前文中所述类型的三相系统，在该系统中，即使存在短路，所述切换也在预燃阶段以及任何开关极的触点跳动期间限制产生的(电弧)能量。
本发明是通过以下方法实现此目的的：第一和第二极之间的电压零点交叉后，安排第一极的触点接触时间在185°和257°之间并以n乘以180°递增，在第一极的触点接触时间后，安排第二极和第三极的触点接触时间分别为n1乘以以120°递增的频率周期并以n乘以180°递增，和n2乘以以240°递增的频率周期并以n乘以180°递增，其中n、n1和n2为零或整数。
优选地，第一和第二极之间的电压零点交叉后，第一极的触点接触时间为2ms+185°并以n乘以180°递增。
由于上述开关各极的触点接触时间的选择，即使存在所有可能类型的短路，所产生的(电弧)能量也将受到限制。此外，本发明防止了各个主触点熔接在一起，降低了下次开断时重燃的风险。
此外，本发明具有以下优点：
-较小的磨损，因此可以更加频繁、甚至重复地被切换到短路。
-在切换到短路后具有优异的绝缘特性(无变形的触点-触点之外的点(points out of contacts))。
-受控开断结合，可以用更小的真空断路器满足相同的技术要求。
优选的实施例在附属权利要求中定义。
附图说明
以下将参考附图对本发明进行说明：
图1示出了根据本发明的三相系统的原理的示意图；
图2示出了根据本发明的三相系统的一个实施例；
图3示出了根据本发明的三相系统的另一个实施例；
图4a、4b和4c示出了极L1的触点接触时间中可能的各点。
具体实施方式
图1示出了一个三相系统的原理，该系统包括三相电源e1t、e2t、e3t和负载网络2，该负载网络2可以经由带有极L1、L2和L3的三极开关1连接到三相电源的相端子。此外，该三相系统包括被连接在两个相端子(例如，三相电源e1t、e2t、e3t的相端子L1和L2)之间的零点交叉检测器3。该检测器确定上述两个相端子之间电压的零点交叉并基于零点交叉的时间中的一点控制驱动控制电路4驱动所述三极开关1的极L1、L2和L3。此处值得注意的是连接在两个相端子L1和L2之间的零点交叉检测器优选用作基准时间检测器。但是，可以使用任何检测器，例如峰值检波器。此外，该检测器可以被连接在一个相与地或其它两相之间。重要的是存在一个初级电压的基准。在两个相之间进行测量总是能给出良好和明确的结果，因此是优选的。对于另一个基准点，当然使用此后命名的触点的时间或角度。此后命名的触点的时间或角度基于所述零点交叉检测器被连接到相L1和L2之间，因此UL1-L2＝0。
例如，所述三相系统可以是已知的三相中压系统(大约1-50kV)，其装备有真空开关作为三极开关。本发明同时适合于负载和电源开关。在三相系统中，尤其是在负载网络中，可能出现未被发现的短路。当切换到这样的短路时，重要的是容许尽可能少的预燃期间(不可避免的)电弧中的能量以避免可能将触点熔接到一起。这可以通过以最大不对称切换来实现，因为在时间约为2ms时的相关区域中，电流的增大仍是最小的。此外，预燃将是最小的，因为该时刻电压为零，如电感性负载网络那样。由于在短路的情况下，该网络将具有感性特性，在这种情况下，将应用与上述那些要求相同的要求。
与以上给出的要求相反的要求是，为达到相间最小运行功率，必须尽可能防止不对称电流。此要求不很严格，此处不再赘述。网络必须在任何情况下先被规定一个最大不对称短路电流，因为短路也可以以其它方式发生，由此达到满峰值。
不对称的实现是因为极L1、L2和L3以受控的时间被切换。为了假设一个满足所有发生的情况(包括由于开关中存在接地故障而未接地的电源)的基准，考虑一个相间电压，例如，相端子L1和L2之间的电压。特别是，使用零点交叉检测器3，在给出的实例中，其输入端连接到相端子L1和L2，其输出给出一个表示零点交叉的信号。利用检零器3的该输出信号控制驱动控制电路4，该驱动控制电路4与相应的极L1、L2和L3相互作用，以使在零点交叉后，第一极(L1)的触点接触时间或切换时间在185°之后并n倍180°递增，在第一极的触点接触时间后，第二极L2以及第三极L3的触点接触时间为120°并以n倍180°递增和为240°并以n倍180°递增，其中n等于零或一个整数。除此处给出的第二或第三极的触点接触时间之间的时间差以外，如果需要和希望，该时间差可以通过n1乘以第二极的频率周期或n2乘以第三极的频率周期来进一步递增。由于所述时间是相互关联的，所选实例中n2不应小于n1。当然，在不同的网络情况(例如不同的相序)中这可以是不同的。进而，此处n1和n2还可以为零或整数。在实际情况中，n1和n2将为零，因为一般将尽可能试图接近同时切换所述三个极。
以下将通过实例的方式说明一种情况，假设一个星形接地网络，其中极L1、L2和L3的闭合顺序的最佳选择将给出如下：
-相对于基准时间，即两相之间电压的零点交叉(在此情况下，UL1-L2＝0)，在最大2ms+185°之后，极L1的触点接触(可选：等待n1乘以频率周期)
-相对于极L1延迟120°切换极L2(可选：等待n2乘以频率周期)
-相对于极L1延迟240°切换极L3
在此情况下，将考虑最大2ms的预燃时间和最大2ms的跳动时间。对于更短的预燃时间，触点接触还可以发生在x+185°，其中x对于该更短的点燃时间是相同的。
未接地网络与星形接地网络的闭合顺序的最佳选择是相同的。
在表A给出了受控切换(包括机构中±1ms和±2ms分布效应)与常规同步切换的比较。假设短路电流为25kA。
最重要的准则是燃弧阶段期间的能量，其表示为I2t或在恒定弧压的情况下为I·t。
从表A中显而易见，至少对于τ所取的实际值，网络的时间常数τ几乎对该准则没有影响。因此，标准的IEC值(τ＝45ms)足以进行进一步计算。作为表A中“最糟糕的情况”，假设2ms的预燃+2ms的跳动。当然，此处较短的时间对于(电弧)能量(低于I2t和It值)更有好处。给定的角度给出了预燃的起始并用于50Hz。两个ms后，极L1的触点接触。表A是作为50Hz的实例给出的。对于其它频率，例如60Hz，观察到了相同的特性。对于剩余时间在时间控制预燃和跳动中的分布仍保持相等，其它角度用于60Hz。对于2ms和50Hz，此为36°，但对于60Hz，它为43.2°。在60Hz时，还达到不同(某种程度上更高)的I2·t和It值。但是对于60Hz，受控切换的影响仍然是正面的。
因此，当考虑由机械分布(mechanical spread)和最大2ms的时间控制精度引起的变化时，第一极L1的触点接触时间在185°和185°+4ms之间。尽管有此变化，受控切换仍然是有利的。在变化显著大于±2ms时，受控切换几乎没有意义。对于更短的预燃时间或更短的跳动时间，受控切换的影响变得甚至更好，因为触点间产生的(电弧)能量更少。
图4a给出了第一极(L1)的触点接触的理想时间。其中没有机械分布，所以只考虑2ms或36电角度的最大预燃时间和2ms或36电角度的最大跳动时间。触点在221°接触。
当考虑最大+2ms和-2ms的机械分布时，理想的接触点将移位。
图4b给出了机构提早2ms被切换时的接触点，由此接触点在185°。
图4c给出了机构推迟2ms被切换时的接触点，由此接触点在257°。
但是，在所有三种情况中，可以在其中表明电弧能量自身的周期被限定在最大4ms或72电角度，并且此“窗口”将由于机械分布而在时间上向前或向后移动。
对于50Hz，极L1的触点接触点因此在零点交叉(UL1-L2＝0)后185°和257°之间。
对于50Hz，极L2的触点接触点在84°和156°之间，而对于50Hz，极L3的触点接触点在204°和276°之间。如前所述，这些点是相对于极L1，极L2和L3的触点接触时间中的点，如果需要，时间中的这些点仍可被延长若干个周期。
表A
  τ(ms)   45(IEC)  32   106
  Ref.UL1-L2＝0   I2t(KA)2s   I.t(As)  I2t(KA)2s   I.t(As)   I2t(KA)2s   I.t(As)
  常规最大(95°)   2.3   83.3  2.2   82.5   2.4   84.6
  受控理想(185°)   ＜0.05   10.6  ＜0.05   10.6   ＜0.05   10.6
  +1ms(203°)   0.3   24.7  0.3   24.6   0.3   24.9   机械分布的影响
  -1ms(167°)   0.2   27.1  0.2   26.7   0.2   27.6
  +2ms(221°)   0.9   47.9  0.9   47.5   0.9   48.4
  -2ms(149°)   0.7   50.1  0.7   49.5   0.8   51.0
25kA短路电流时受控切换的影响
有两种用于控制开关的各极的可能方法。第一，使用驱动器，其在120°(极L2)和240°(极L3)带有机械刻度：以使在50Hz时对应于6.7和13.3ms。另一种可能的方法包括三个独立的驱动器，每个驱动器切换一个极。
图2示出了在相L1、L2和L3之间带有机械延迟的第一实施例。
零点交叉检测器3检测相L1和L2之间电压的零点交叉。零点交叉检测器3的输出信号被传输到中央处理单元5，该中央处理单元5根据该零点交叉信号确定执行机构驱动控制或缓冲器6被启动的时间。该执行机构驱动控制或缓冲器6控制执行机构7，该执行机构7依次切换三极开关1的极L1、L2和L3。开关的极L1、L2和L3的触点接触受机械延迟V1、V2和V3的影响，所述机械延迟V1、V2和V3的延迟周期还确保了极L1、L2和L3在上述时间被切换。V1控制L1的延迟，V2控制L2的延迟以及V3控制L3的延迟。最好将所述延迟限制为两个，一个控制L1和L2之间的延迟，另一个控制L2和L3之间的延迟。
图3示出了一个在各相间具有电气延迟的实施例。在该实施例中也使用了零点交叉检测器3和中央处理单元5。所述中央处理单元5具有三个输出，所述输出连接了三个执行机构驱动控制或缓冲器61、62和63，其输出被连接到执行机构71、72和73的输入。所述执行机构71、72和73控制极L1、L2和L3。所述延迟可以在电路中的某处电子地实现，即从所述中央处理单元到并包括执行机构71、72和73。V1控制L1的延迟，V2控制L2的延迟以及V3控制L3的延迟。所述延迟可以限制为两个，一个控制L1和L2之间的延迟，另一个控制L2和L3之间的延迟。
由于上述触点接触点的选择，将存在一个最大不对称短路电流，其结果是电源开关的热负载为最小。因此，可毫不困难地更频繁地切换到短路电流或选择更小的设计。所述三个极的最大延迟最好始终小于1个周期(50Hz时20ms)，因此，对使用者无足轻重。

Claims (10)

1.一种三相系统，包括：具有预定频率周期的三相电源，通过其可以将所述三相电源的相端子连接到负载网络的三极开关，用于确定时间基准点的基准时间检测器以及用于驱动所述开关的各个极以使其相对于所述基准时间以不同的间隔在受控的时间被切换的驱动控制电路，其特征在于，第一和第二极(L1，L2)之间的电压零点交叉后，第一极(L1)的触点接触时间在频率周期的185/360和257/360之间以n乘以频率周期的一半递增，在第一极(L1)的触点接触时间后，第二极(L2)和第三极(L3)的触点接触时间分别为n1乘以以频率周期的120/360递增的频率周期并以n乘以频率周期的一半递增，和n2乘以以频率周期的240/360递增的频率周期并以n乘以频率周期的一半递增，其中n、n1和n2为零或整数。
2.根据权利要求1的三相系统，其特征在于，所述第一和第二极(L1，L2)之间的电压零点交叉后，所述第一极(L1)的触点接触时间为2ms+频率周期的185/360并以n乘以频率周期的一半递增。
3.根据权利要求1的三相系统，其特征在于，所述第一和第二极(L1，L2)之间的电压零点交叉后，所述第一极(L1)的触点接触时间在范围185/360到185/360+4ms内并以n乘以频率周期的一半递增，在所述第一极(L1)的触点接触时间后，所述第二极(L2)和第三极(L3)的触点接触时间分别在范围n1乘以以频率周期的120/360-2ms递增的频率周期到n1乘以以频率周期的120/360+2ms递增的频率周期内并以n乘以频率周期的一半递增，和在范围n2乘以以频率周期的240/360-2ms递增的频率周期到n2乘以以频率周期的240/360+2ms递增的频率周期内并以n乘以频率周期的一半递增，其中n、n1和n2为零或整数。
4.根据权利要求1、2或3的三相系统，其特征在于，所述基准时间检测器是被连接到所述两相(L1，L2)之间的零点交叉检测器。
5.根据权利要求1、2或3的三相系统，其特征在于，为所述三极开关的各个极提供了机械延迟并且所述延迟的值对应于与所述各个极的切换时间关联的时间间隔。
6.根据权利要求4的三相系统，其特征在于，为所述三极开关的各个极提供了机械延迟并且所述延迟的值对应于与所述各个极的切换时间关联的时间间隔。
7.根据权利要求1、2或3的三相系统，其特征在于，为控制所述三极开关的各个极的切换的所述驱动控制电路提供了电子延迟并且所述延迟的值对应于与所述各个极的切换时间关联的时间间隔。
8.根据权利要求4的三相系统，其特征在于，为控制所述三极开关的各个极的切换的所述驱动控制电路提供了电子延迟并且所述延迟的值对应于与所述各个极的切换时间关联的时间间隔。
9.根据权利要求5的三相系统，其特征在于，为控制所述三极开关的各个极的切换的所述驱动控制电路提供了电子延迟并且所述延迟的值对应于与所述各个极的切换时间关联的时间间隔。
10.根据权利要求6的三相系统，其特征在于，为控制所述三极开关的各个极的切换的所述驱动控制电路提供了电子延迟并且所述延迟的值对应于与所述各个极的切换时间关联的时间间隔。
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